供暖、通风和空调系统的能耗几乎占建筑物总能耗的一半 ^[1],暖通空调系统节能是建筑节能工作的重点。尤其是夏季空调系统的使用,不仅增加了能耗,还加剧了峰谷用电的不平衡。空调系统的主要耗电设备为制冷主机、水泵、风机盘管、冷却塔等。这些设备的选型需要满足国家的相关节能标准。此外,由于空调系统大多数时间在部分负荷下运行,因而运行管理同样重要。

　　 具有蓄冷装置的空调系统不仅可以方便地调节系统的供冷量,还可以通过夜间蓄冷缓解峰谷用电不平衡的矛盾。根据季节的不同和机器运行情况,供冷运行模式可以分为基载主机单独供冷、基载主机与双工况主机或蓄冰装置联合供冷、蓄冷装置单独供冷等。

　　 相应地,定流量系统在部分负荷下运行会浪费水泵输送能量。对于许多建造年代较早的公共建筑,其空调水系统大部分时间都是在小温差、大流量工况下运行,造成水系统耗电输冷(热)比过高 ^[2]。因而,需要在不影响机组与末端设备运行效果的前提下实行空调冷水系统水泵的变频调节 ^[3]。空调水系统变流量控制策略如温差控制、定压差控制、变压差控制的适用性、稳定性和优缺点已有许多研究和论证 ^[4,5,6,7]。对于采用风机盘管末端的空调系统,由于运行过程中某些回路会关闭,因而末端压差控制方式不适用,可采用温差控制或供回水干管压差控制。杜建财分析了国家大剧院空调水系统电耗,发现在冷水泵采用供回水干管压差变流量调节时,节能率约为28.14% ^[8]。对于有蓄冷装置的冷水系统,在有释冷过程和无释冷过程中可采用不同的供回水温差,冷水流量的控制策略也更复杂,有待进一步研究。

　　 本文针对采用冰蓄冷装置的北京市某国企办公楼,讨论其冰蓄冷空调系统的变流量改造方案及控制策略,并分析冰蓄冷空调系统在夏季典型日运行的经济效益。

　　 该办公楼位于北京市西城区,建成于1999年,楼高113 m,共30层(地上27层,地下3层),建筑面积50 386 m²。综合楼冷源采用水冷离心式双工况冷水机组2台(额定功率380 kW/台,制冷工况制冷量2 040 kW/台)和基载主机1台(额定功率266 kW/台,额定制冷量1 512 kW/台),2000年投入使用。冰蓄冷空调系统配备蓄冷量为14 068 kW·h的蓄冰槽。输配系统配备冷水泵5台、冷却水泵4台,单台功率均为55 kW,并配备功率为15 kW的冷却塔6台;制冷站配备3台板式换热器。该建筑的空调系统图见图1。

　　 设置冰蓄冷装置和变频泵后,空调系统可以有以下几种工作状态:1) 基载主机单独供冷;2) 双工况主机单独制冰;3) 基载主机与蓄冰装置并联供冷;4) 融冰单独供冷。在制冰工况下,由于制冷机蒸发温度低于空调工况温度,制冷机组的COP也低于空调工况。从碳排放的角度来讲,制冰工况下主机的碳排放量高于制冷工况。

　　 为了分析冰蓄冷技术对系统耗电和碳排放的影响,分析对比以下3种运行模式。

　　 模式1:基载主机、双工况主机只运行制冷模式;

　　 模式2:基载主机承担基础负荷,双工况主机夜间制冰、白天释冷调峰;

　　 模式3:双工况主机夜间制冰、白天最大程度释冷,基载主机用于调峰。

　　 在无释冷工况下,冷水温差控制在5 ℃,配合调节水泵台数。基载主机、双工况主机蓄冰槽并联供冷时,控制冷水温差为7 ℃,通过改变水泵的频率和运行台数控制流量。

　　 该办公楼所采用的离心式冷水机组的变工况运行参数如表1所示。在节能计算时,考虑主机的COP近似与压缩比成正比。在制冷工况下,COP为5.37;在制冰工况下,COP为3.58。在计算碳排放量时,根据国家发展和改革委员会气候司发布的减排量数据,减排因子取0.928 8,即节约1 kW·h 电相当于减少排放0.928 8 kg二氧化碳。

　　 水泵的频率与功率呈三次幂关系,当水泵转速降低后,功耗会明显降低:

　　 $\frac{W{}_1}{W{}_2}=(\begin{array}{l}\\ \end{array}\frac{{\rm N}{}_1}{{\rm N}{}_2}\begin{array}{l}\\ \end{array}){}^3(1)$

　　 式中 W为功率;N为变频水泵的转速;下标1,2表示工况。

　　 利用北京地区的典型气象参数,以8月1日为例计算该办公楼的逐时冷负荷,结果见图2。从图2可见,该办公楼空调冷负荷13:00达到峰值,最大值为4 080 kW。在模式1下,该空调系统的所有负荷由基载主机+制冷模式的双工况主机承担(模式1的逐时冷负荷为模式2不含融冰部分的逐时冷负荷)。在模式2下,基载主机单台制冷量为2 040 kW,其余负荷由冰蓄冷装置承担。在模式3下,冰蓄冷装置最多可提供2 720 kW的冷量,其余负荷由基载主机承担。

　　 图3显示了运行模式1的逐时耗电量(该办公楼办公时间为07:00—18:00)。从图中可以看出:主机耗电量07:00最低,为210 kW·h,随后逐渐增大,13:00达到最大值760 kW·h,其后逐渐降低;除07:00—08:00之外,其他时段耗电量均大于380 kW·h,至少需要开启2台主机。

　　 图4显示了运行模式2的逐时耗电量。23:00—06:00运行制冰工况,夜晚低谷电价时将能量储存于蓄冰槽,白天高峰电价时释冷调峰,与基载主机共同承担冷负荷,主机最大逐时耗电量降低至450 kW·h左右,达到了一定的移峰填谷效果。

　　 图5显示了运行模式3的逐时耗电量。23:00—06:00运行制冰工况,夜晚低谷电价时将能量储存于蓄冰槽。白天最大程度释放蓄冰槽冷量,冷负荷高峰时由基载主机调峰,白天主机最大逐时耗电量降低至250 kW·h左右,移峰填谷的效果更加显著。

　　 不同运行模式的运行成本及碳排放量对比如表2所示。与模式1相比,采用变流量冰蓄冷的模式2和模式3总耗电量均有所增加,并没有起到节能的效果,但合理利用峰谷电价后可大幅降低运行费用。根据北京2017年公布的各时段的电价——尖峰时段(夏季7,8月11:00—13:00,16:00—17:00)、高峰时段(10:00—15:00,18:00—21:00)、平段(07:00—10:00,15:00—18:00,21:00—23:00)、低谷段(23:00—07:00)的电价分别为1.519 5,1.390 2,0.864 5,0.364 8元/(kW·h),采用冰蓄冷技术后,模式2和模式3电费分别降低了23.1%和53.8%,经济效益十分显著。不过,从碳排放量的角度来看,模式2和模式3比模式1分别增加了14.3%和42.0%。

　　 考虑到国家电网集团对碳排放量的限制要求,在实际运行中制冷机组没有采用最经济的运行模式3,而是采用运行模式2,首先满足碳排放要求,然后利用基载主机承担基本负荷、冰蓄冷作为调峰的策略实现一定程度的节约成本。

　　 1) 采用冰蓄冷承担基础负荷+基载主机调峰时,可实现运行成本的最大节约,但由于根据耗电量折算的碳排放量大幅增加,有可能不满足碳排放的限制要求。

　　 2) 采用基载主机承担基础负荷+冰蓄冷调峰的模式,机组的总耗电量有所增加,但在典型计算日电费降低23.1%,经济效益突出,且碳排放量可满足限制要求。